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许多生物组织，如肌腱、软骨和血管，具有优异的机械性能，可以承受较大的变形而不断裂，而且当机械载荷释放时，可以迅速恢复其力学性能。然而，许多合成的软材料，如水凝胶，机械强度低，韧性差，可恢复性有限。目前，如何使人工合成的强韧水凝胶来模拟生物组织复杂的能量耗散和恢复机制，仍是一个挑战。

近日，南京大学王炜教授、曹毅教授和薛斌博士等人使用一个力耦合酶反应将一个强共价肽键变为一个可逆键。基于这一概念，研究者设计了双网络水凝胶(DN hydrogels)，实现了高机械强度和可逆机械回复。具体来说，研究者发现了一种肽连接酶，即分选酶A (SrtA)，能够在外力作用下促进肽的蛋白水解。肽键可由同一种酶在无外力存在的情况下重新连接，这使得双网络水凝胶中的牺牲网络可以可逆地破裂和重建。这项工作展示了一种在分子水平上精确控制水凝胶力学和动力学性质的通用方法。相关工作以“Strong and Reversible Covalent Double Network Hydrogel Based on Force-coupled Enzymatic Reactions”为题发表在最新一期的《Angewandte Chemie International Edition》。博士研究生何光晓为本文的第一作者。

图1. 基于力耦合酶反应的强韧可逆双网络水凝胶示意图。

在生物系统中，许多共价键的断裂和形成是由酶(如蛋白酶或肽连接酶)精确调控的。如图1A所示，酶催化反应的一个特点是其高效率和特异性，可以大大降低活化位垒，从而加速正、逆反应。肽连接酶是催化肽键形成的酶。研究者认为它也可以作为一个外部控制，在外力作用下催化蛋白质水解反应。利用力和酶的协同作用，可以实现可逆的断裂和强共价键的形成(图1A)。

在这项工作中，研究者使用SrtA作为一个模型酶来说明这一概念。SrtA可在温和的反应条件下催化肽连接，广泛应用于生物偶联。研究者将SrtA可切割肽序列作为DN水凝胶致密网络中的交联剂。在水凝胶中加入SrtA可导致交联剂的可逆裂解和重组，从而改变水凝胶的刚度和延伸性。这使得水凝胶的杨氏模量为21 kPa，断裂应变为2033%，断裂能为9410 J m-2。更重要的是，水凝胶可以通过酶促反应重构交联剂来恢复其力学性能。致密网络的断裂会耗散相当大的机械能，但会对网络造成不可逆转的损害。研究者引入序列为Leu- Pro-Glu-Thr-Gly (LPETGGG)的SrtA特异性肽作为密集网络的交联剂(图1B底部)。

图2. SrtA存在下DN水凝胶的力学性能。

采用两步光引发自由基水溶液聚合法制备了DN水凝胶。研究者发现水凝胶在4 μM SrtA溶液中浸泡后具有更强的延展性(图2A和B)。在SrtA存在的情况下，水凝胶可以拉伸到原来长度的12倍，而在没有SrtA的情况下，水凝胶只能拉伸到原来长度的9倍。水凝胶的杨氏模量随SrtA浓度的增加而降低。当SrtA为4 μM时，水凝胶的断裂能达到9410 J m-2，显著高于无SrtA时的2090 J m-2。此外，DN水凝胶的整体力学性能也取决于致密网络的交联密度(图2D)。以上结果表明，当酶的添加量达到最佳时，DN水凝胶的断裂应力和韧性均有所增强。

研究者还研究了DN水凝胶在拉伸-松弛循环期间的能量耗散(图2E-F)。在高酶浓度下能量耗散的显著减少不仅仅归因于SrtA的存在导致肽交联剂数量的减少，还由于酶可以降低激活障碍，降低肽交联剂的破裂力，导致能量耗散减少。

图3. 不同SrtA浓度下DN水凝胶的机械回复性能

在没有SrtA的情况下，DN水凝胶在4 h内无法恢复其能量耗散特性。相反，在存在2 μM或4 μM SrtA的情况下，在第二个循环中耗散能逐渐增加 (图3)。这些结果表明，在酶的存在下，DN水凝胶的力学性能可以在合理的时间尺度内恢复。

图4. 力耦联酶促反应的机理研究

为了进一步探索力耦合酶循环如何影响肽交联剂的动力学，研究者使用基于AFM的单分子力谱仪测量了肽在不同浓度SrtA存在下的力学性能(图4)。这些实验数据为力和酶的耦合作用提供了分子层面的证据，使共价肽交联剂在力作用下既强韧又富有动态性。

这种方法的一个缺点是很难在水凝胶中保持恒定的活性酶浓度，该酶的活性在多次机械循环后可能降低。此外，在机械加载过程中，酶很容易扩散。这些缺点可以通过使用稳定的栓系酶或与其他类型的反应耦合力来克服。

【小结】

研究者开发了一种简便的方法，通过力耦合酶反应将一个坚固的共价键转化为动态共价键，并且揭示了这种耦合效应背后的分子机制。通过在DN水凝胶网络中的实验，研究者成功地将高机械强度和可恢复能量耗散结合在同一DN水凝胶中。它代表了在分子水平上设计具有特殊力学特性水凝胶的一个重大进展。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202201765

来源：高分子科学前沿

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